Датчики линейных перемещений

Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов:

• с переменной площадью электродов;

• с переменным зазором между электродами.

Достаточно очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

Датчики угловых перемещений

Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора.

В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

Инклинометры

Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы.

Устройство емкостного инклинометра

Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости.

Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.

Емкостные датчики уровня жидкости

Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора

Датчики давления

Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления.

Такой датчик состоит из металлической ячейки, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.

В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.

Индуктивный датчик - это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменениииндуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления RМ магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.

Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм. Также можно использовать индуктивный датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю.

В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут выполняться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Используются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения различных металлических и неметаллических объектов бесконтактным способом по принципу “да” или “нет”.

Достоинства индуктивных датчиков:

• простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;

• возможность подключения к источникам промышленной частоты;

• относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);

• значительная чувствительность.

Недостатки индуктивных датчиков:

• точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;

• возможна работа только на переменном токе.

Типы индуктивных преобразователей и их конструктивные особенности

По схеме построения индуктивные датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный индуктивный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.

В дифференциальном индуктивном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком.

Как известно, индуктивность катушки:

где W– число витков; Ф – пронизывающий ее магнитный поток; I – проходящий по катушке ток.

Ток связан с МДС соотношением:

Откуда получаем:

где Rm = HL / Ф – магнитное сопротивление индуктивного датчика.

Рассмотрим, например, одинарный индуктивный датчик. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величены воздушного зазора.

Индуктивный датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3- удерживается пружинами. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки Rн подается напряжение питания переменного тока. Ток в цепи нагрузки определяется как:

где rд - активное сопротивление дросселя ; L - индуктивность датчика.

Т.к. активное сопротивление цепи величина постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей XL=IRн , которая зависит от величены воздушного зазора δ.

Каждому значению δ соответствует определенное значение I, создающего падение напряжения на сопротивлении Rн: Uвых=IRн - представляет собой выходной сигнал датчика. Можно вывести аналитическую зависимость Uвых=f(δ), при условии что зазор достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа Rмж по сравнению с магнитным сопротвлением воздушного зазора Rмв.

Приведем конечное выражение:

В реальных устройствах активное сопротивление цепи намного меньше индуктивного, тогда выражение сводится к виду:

Зависимость Uвых=f(δ) имеет линейный характер (в первом приближении). Реальная характеристика имеет вид:

Отклонение от линейности в начале объясняется принятым допущением Rмж<< Rмв.

При малых d магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха.

Отклонение при больших d объясняются тем, что при больших d RL становится соизмеримой с величиной активного сопротивления - Rн+rд.

В целом рассмотренный индуктивный датчик имеет ряд существенных недостатков:

• не меняется фаза тока при изменении направления перемещения;

• при необходимости измерять в обоих направлениях перемещение нужно устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, ток I0,что неудобно;

• ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения;

• в процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается, и значит вносит погрешность в работу датчика.